五轴数控加工平台结构设计与分析.docx

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五轴数控加工平台结构设计与分析

五轴数控加工平台结构设计与分析

摘要

五轴联动数控加工技术是目前解决叶轮、叶片和曲轴等复杂曲面零件加工的唯一手段，这种加工方式以其特有的优越性在复杂曲面加工、高精度零件加工方面起着越来越重要的作用，然而我国的五轴联动数控加工技术还有待突破。

本次课题要求设计五轴数控运动平台的具体机械结构，基于运动控制卡搭建控制系统，实现五轴数控加工。

即先了解五轴数控机床的结构类型，并通过比较分析，选择合适的结构类型；然后从标准件开始，经过计算、选型和校核等步骤确定出标准件的尺寸参数，紧接着确定连接和支撑它们非标准件的尺寸参数；其次利用UG8.0搭建五轴数控加工机床的立体模型，从单个零件的生成开始，到基本组件的建立和加工平台的装配，直到加工平台的三维模型最终建立；最后导出工程图，利用AutoCAD修改并标注。

关键词双摆头，五轴联动，加工平台，运动控制

Abstract

FiveaxisNCmachiningtechnologyiscurrentlydealingwiththekeytechnologyofcomplexcurvesurfacemachiningandhighprecisionpartsprocessing,anditsimportanceisself-evident,andthecurrentourcountryintheseareasstillawaitingabreakthrough.

ThisresearchrequiresthatthemechanicalstructureofthefiveaxisCNCmachiningplatformisdesigned,andthe3Ddrawingsoftwareisusedtobuildthemodelanddrawthe2Dengineeringgraphicsoftheassemblyandparts.. ThisrequiresfirstfromthestudyoffiveaxisNCplatformofmechanicalstructuretypes,analysisandcomparisonoftheadvantagesanddisadvantagesofdifferentstructuretypes,choosesuitabletypeofstructureandmechanicalstructuredesign;specificdesignfirstfromstandardpartsofthecalculationandselectionbegan,whenthedimensionparameterofstandardparts,youcanconnectingpartsofconnectingandsupportingnonstandardsizeandstructuredesign;whenthevariouspartsofthestructureandsize,usingUGtobuildthe3DmodelofthedesignoffiveaxislinkageCNCplatform. Firstfromtheindividualparts,andassemblythebasiccomponentsandthegradualcompletionoftheassemblyoftheprocessingplatform,andfinallytheformationofthethree-dimensionalstructureofthecompleteCNCplatform;3DmodelisbuiltafterthecompletionofusingAutoCAD2Dengineeringdrawinganddimensioning.

Finally,finishthegraduationthesis.

Keywordsfiveaxislinkage;structuredesign;doubleturntablestructure;motioncontrol

第一章引言

1.1对五轴数控加工平台的认识

1.1.1发展现状

当下，我国制造的五轴联动数控加工中心在种类上已经具备立式、卧式、龙门式和落地式等结构的加工中心，可以适应不同大小的复杂零件生产，加上五轴联动数控铣床和大型镗铣床以及车铣中心等的开发，基本满足了国内市场的需求。

在精度上，北京机床研究所的高精度加工中心、宁江机械集团股份有限公司的NJ25HMC40卧式加工中心和交大昆机科技股份有限公司的TH61160卧式镗铣加工中心都具有较高的精度，能够和发达国家的工件相持平。

在工件的市场营销上，江苏多棱、济南二机床、北京机电研究院、宁江机床、桂林机床、北京一机床等公司的工件已取得国内用户的认可。

2013年7月31日上午由大连科德制造的高质量五轴立式机床，开始销往德国。

工信部装备司副司长王卫明表示：

“这种高端数控机床买到西方发达国家，是中国机床生产行业的重要里程碑。

”[1]

1.1.2发展趋势

1、高速、高效率。

为了满足日益增长的消费需求，现代加工必须满足在满足高速加工的同时，也要保证加工的高效率。

2、高可靠性。

由于五轴联动数控机床主要用于复杂表面的加工，一般对机床的无故障时间有较高的要求，所以要尽量提高驱动装置的可靠性。

3、高精度。

因为CAM水平的发展，机床的制造水平得到了很大的增加，保证机床的质量，是保证产品质量的重要手段。

4、复合化。

与以往单纯追求高速主轴和进给机构不同，当今市场对于个性化的要求日益强烈，交货日期业在不断缩短，因此五轴数控加工中心更趋向于小规模，甚至是单件生产。

为了满足这一要求，机床厂商要开发出复合程度更高的复合机床。

5、智能化、网络化、柔性化。

随着互联网技术和智能化技术的发展，数控机床的控制系统也得到了大力的发展，自适应技术、故障诊断技术、远程控制等在机床设计中得到了充分应用。

6、绿色化。

作为当今工业发展的主流，绿色化逐步渗入到工业生产的方方面面，五轴联动数控机床也在大力开发绿色加工，干切削或半干切削技术已经得到了较快的发展。

[6]

1.1.3研究意义

机械制造业是国家的工业基石，这为新技术、新产品的开发和当下机械制造提供关键了方法，是不可或缺的战略性产业。

尤其是发展中工业化国家，都非常重视制造业。

随着国民经济飞快进步和国防强化的要求，对先进的数控机床提出了许多迫切的要求。

数控加工中心是一个国家工业水准的代表。

而代表当下机床工业巅峰水平的是五轴数控机床加工中心，从另外一种意义上说，它表现一个国家的制造业发展的现状。

五轴数控机床的引进，让工件的加持变得容易。

装夹时时不用专门的夹具，降低了机械制造的成本，防止了重复装夹，增加工件的加工精度。

采用五轴数控技术制造工件能够降低装夹设备的利用次数。

还有，因为五轴数控技术能够在制造里省去大量特别刀具，因此减少了刀具本钱。

五轴数控机床在制造里可以提高刀具的有效切削刃距离，降低切削力，增加刀具寿命，减少本钱。

利用五轴数控机床制造工件能够飞速的完成工件制造，交单效率高，更好的提升工件的制造水平，使工件制造变得更简单，同时使工件的改变变得更简单。

长久以来，以美国为首的发达国家，总是把五轴数控机床系统当成重要的战略物资，进行出口许可证方法。

所以我国迫切的需要在这方面进行突破，制造出自己的五轴联动数控机床，打破发达国家的封锁，实现中华民族的伟大复兴。

[3]

1.2毕业设计工作内容

本次课题的研究题目是五轴数控加工平台的结构设计，针对此课题的研究内容，在研究伊始首先通过资料了解了五轴联动数控加工技术的概念和特点，熟悉了不同结构的五轴数控机床的具体构造以及其优缺点，比较后选定最优的构型方法，而后选择传动类型。

当传动结构和连接与支撑结构都确定以后，分别对两者进行选择设计。

首先设计传动部分的结构，选择合理的传动方式，而后选出零件中的标准件优先设计，根据任务书中的要求进行计算、选型和进一步的校核，而后确定标准件的尺寸参数；然后在传动结构设计好的基础上进行连接与支撑部分的设计，选择合适的结构、尺寸、紧固方式和连接方式等并进行校核。

当所有的零件在经过校核，尺寸参数确定以后，利用UG8.0进行三维模型的搭建，按照零件-部件-装配体的步骤进行建模，直到最后组装成完整的五轴数控机床模型。

三维模型搭建完毕后再进行二维工程图的绘制，利用AutoCAD2012绘制关键零件的零件图和整个机床的装配图共计总图量为3张A0图纸，其中标明各零件尺寸大小和配合方式以及装配中的配合关系。

最终进行课题文章的撰写，完成课题设计。

第二章五轴联动数控加工平台总体方案设计

2.1五轴数控加工平台结构形式及特点

五轴联动数控加工平台通常是由三个直线轴和两个旋转轴组成，旋转轴一般为A,C或A,B轴。

其结构有很多种类型，摇篮式、立式、卧式、NC工作台+NC分度头、NC工作台+90°B轴、NC工作台+45°B轴、NC工作台+A轴、二轴NC主轴等，具体可分为双摆头型、双转台型和头摆工作台旋转式。

[5]

2.1.1双摆头结构

在X、Y、Z线性轴的基础上增加A轴、C轴，A、C轴都在安装刀具的摆头上。

AC双摆头设计复杂，需要安装油路管道及电气管道，各种感应开关等，质量较大，但是由于工作台承担所有直线运动,所有的旋转运功全部在工件运动链的一侧，总体刚性较大。

同时双摆头结构旋转范围最大，工艺性能好。

如图2.1所示：

图2.1双摆头结构示意图

2.1.2双转台结构

这种新式的加工平台是将原本安装在摆头上的旋转轴移动到装夹工件的动作台上，结构比较简单，但是由于工作台的限制，大大缩小了A轴的旋转范围，在降低工艺性能的同时，还降低了工作台的灵活性和承载能力，因此一般只适用于小规格零件的加工。

如图2.2：

图2.2双转台结构示意图

2.1.3头摆工作台旋转

由刀具和工作台分别执行一个回转运动，这种形式的加工平台综合了双摆头和双旋转台的优缺点，所以有适中的灵活性和承载能力，工艺性能较好。

但是由于旋转结构分布在工件运动链的两边，所以降低了机构总体的刚性。

如图2.3所示：

图2.3头摆工作台旋转式

2.2总体设计思路及步骤

2.2.1总体设计思路

五轴数控加工平台一般是在X、Y、Z三个直线运动轴的基底上添加A、C或A、B两个旋转轴，从而组成五轴数控加工平台的基本结构。

比较上述三种基本结构，综合刚性，灵活性，工作范围等工艺性能，最终选择方案一的双摆头的结构形式作为布局方案。

其中已知的X、Y、Z三个轴互相垂直安装，通过直线导轨滑块和滚珠丝杠副实现加工平台的线性运动。

选取A、C轴作为两个旋转轴。

由于是试验用五轴数控加工平台，所以要尽量缩小传动链的长度，但同时又要保证精度要求，所以采用了目前常用的力矩电机作为驱动装置，以此实现零传动。

其他紧固部分，如机架，底板和工作台等用螺钉、螺栓进行连接。

[17]

2.2.2基本设计步骤

（1）阅读毕设任务书，充分理解任务书中的要求。

（2）查阅文献，了解五轴数控加工平台的机械结构的相关知识，熟悉主要的结构形式，并结合实际情况进行主体结构的选型，初步确定机床的总体结构。

（3）查阅资料和机械设计手册，根据任务书中的五轴数控加工平台结构设计的各项技术指标选定标准件的的尺寸后，设计非标准件的尺寸参数。

（4）根据机械设计标准对所设计